大阪大学研究生院理学研究科助理教授谷洋介的研究团队与九州大学研究生院理学研究院副教授宫田洁志的研究团队合作，大幅刷新了有机分子磷光效率的世界纪录，并明确了其中的关键——高速磷光的机理。相关研究成果发表在期刊《Chemical Science》上。
图1. 高速磷光的机理示意图。图中蓝光在中央分子上聚集并形成黄光，三重态与其他状态混合产生高速磷光的情况。（©YAP. Co., Ltd.）
磷光是高能状态的分子在改变电子自旋方向的同时发光的现象，目前被用于有机EL和癌症诊断等方面。
为了获得高效率的磷光，此前通常认为需要使用铱和铂等稀有金属。然而，稀有金属存在稳定供应方面的问题，而且在不使用稀有金属的情况下利用有机分子实现高效磷光的机理尚未被解明。
研究团队利用时间分辨光谱等方法，详细研究了自主开发的不含稀有金属的有机分子“噻吩二酮”的发光情况。结果发现，噻吩二酮分子在溶液中的磷光效率最高可达38%，是此前世界纪录的两倍以上。此外，将这种分子少量添加到聚合物中制备的薄膜，在空气中表现出了超过50%的磷光效率。
此外，研究人员还揭示了高效磷光产生的根源在于磷光的高速化。其速度研究人员认为约为5000/秒，比传统有机分子的磷光速度高一个数量级以上，接近使用铂等稀有金属的磷光速度（约8300/秒）。
研究团队通过量子化学计算明确了这种高速磷光的机理。磷光产生于“三重态”高能状态，但纯三重态通常不发光。此次的分子三重态中，混合了1%左右的发光性较强的其他状态。研究人员认为，正是这种较强状态的混合，使得高速磷光成为可能。
通过明确高速磷光的产生机理，为不使用稀有金属实现高速磷光的分子设计提供了指引。
谷助教表示：“噻吩二酮分子的发现是一个偶然，起初我们并不明白它为何会表现出如此卓越的性能。但随着研究的推进，就像拼图的碎片拼凑起来了一样，逐步明确了机理。现在没有一种分子材料的机理变得如此清晰明了了。与此同时，我认为这种分子还有许多深奥之处，对它今后的应用推广也充满了期待。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Chemical Science
论文：Fast, efficient, narrowband room-temperature phosphorescence from metal-free 1,2-diketones: rational design and mechanism
网址：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/sc/d4sc02841d
